Caracterização e aplicações de celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC) - Damásio, Renato Augusto Pereira (2015)
A nanotecnologia surgiu no contexto mundial há algum tempo, e como consequência dessa inovação têm sido desenvolvidos materiais e produtos de características únicas visando aplicações industriais. Diante disso, as nanoceluloses têm sido estudadas como biopolímeros de alta tecnologia para aplicação em diversos materiais. A busca por nanomateriais como biopolímeros tem motivado o interesse para estudos e diversas aplicações tecnológicas. As fibras vegetais são renováveis e biodegradáveis, o que lhes permite competir com produtos fósseis e industrializados. Por exemplo, as nanofibras de origem vegetal vêm se destacando no cenário atual principalmente pelas grandes inovações trazidas pela nanotecnologia. As aplicações das celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC) em materiais compósitos têm despertado a atenção de pesquisadores e industrialistas por elas serem de alta disponibilidade na natureza e serem de baixa densidade, com alta resistência e rigidez. Os objetivos principais deste estudo foram caracterizar, detalhadamente, as celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC) produzidas em planta piloto e investigar algumas de suas potenciais aplicações nas indústrias de polpa e papel e de materiais compósitos e nanocompósitos. O trabalho está divido em quatro capítulos distintos: no Capítulo 1 tem-se a revisão bibliográfica, voltada para o estado da arte da produção e aplicação de nanoceluloses; no Capítulo 2 é apresentada a caracterização detalhada da estrutura físico-química e morfológica de CNF e CNC produzidas em planta piloto, utilizando ferramentas analíticas avançadas; no Capítulo 3 é apresentado um estudo de produção de papel nanoestruturado a partir de fibra curta branqueada; e no Capítulo 4 tem-se uma investigação da produção de nanocompósitos estruturados de CNF, utilizando CNC como agente de reforço mecânico. As principais conclusões desse estudo foram: A investigação do estado da arte sobre a CNF e CNC (Capítulo 1) indica grandes desafios no que tange às tecnologias de produção, armazenamento e transporte desses materiais, bem como aos seus potenciais impactos ambientais. Também revela um número significativo de potenciais aplicações desses nanomateriais, por exemplo, nas indústrias do setor químico e de materiais. Nesse capítulo foi possível acumular conhecimento técnico científico sobre a matéria-prima e os processos de funcionalização da produção de CNF e CNC, assim como seus potenciais de aplicações. A caracterização físico- química e morfológica completa da CNF e CNC foi realizada por meio das técnicas de análise elementar, HPLC-PAD, AAS, microscopias eletrônicas e de força atômica, difratometria de raio-X, FTIR, termogravimetria, potencial zeta e biodegradação por fungos (Capítulo 2). Constatou-se que as composições químicas orgânica e inorgânica de CNF e CNC são diferenciadas principalmente pelo processo de obtenção utilizado em escala industrial. Além disso, o formato cilíndrico da CNC e tubular da CNF foram mapeados de modo a permitir estudos inéditos de topografia de superfície. Essas caracterizações permitiram o conhecimento dos nanomateriais para sua aplicação. A incorporação de CNF freeze-dried na produção de papel nanoestruturado como aditivo industrial (Capítulo 3) foi investigada, determinando-se as propriedades físicas, mecânicas e ópticas de papéis produzidos, após adição de duas dosagens de CNF (6 e 12 %) em polpa kraft branqueada de fibra curta refinada a 2.000, 3.000 e 5.000 rpm no moinho PFI. Concluiu-se que a adição de CNF a 12 % foi a que apresentou maior valor para as propriedades de resistência e ópticas para a polpa não refinada. O efeito do refino sobressaiu-se à adição de CNF para algumas propriedades de resistência mecânica e ópticas. A investigação do potencial da CNF e do CNC na produção de nanocompósitos transparentes de elevada resistência mecânica (Capítulo 4) foi realizada de acordo com a técnica de casting, utilizando CNF como matriz polimérica de dispersão e diferentes dosagens de CNC como reforço mecânico. A base polimérica utilizada de CNF empregou 10 g/m2 dessa nanocelulose em sua forma suspensa, enquanto a CNC foi aplicada nas dosagens de 3 , 6 e 12 %, após sua suspensão em água. Os nanocompósitos produzidos formaram filmes notadamente transparentes e de elevada resistência mecânica, devido à incorporação de CNC.